第03次课-移动计算技术-无线网络MAC协议原理

移动计算技术——无线网络MAC协议原理授课教师：赵蕴龙Email：[e-mail]无线网络MAC协议原理多路复用与多址接入两点之间的两个用户之间进行双向通信可以用双工的方式实现两点之间多用户进行通信需要多路复用（多址接入）技术不需要使用复用器和集中器，而是通过共享一个物理链路（信道）将所有用户都连接起来多址信道可见看成有多个排队的队列，共享信道相当于服务员，为多个队列服务无线网络MAC协议原理多址接入核心问题采用媒体（信道）访问控制MAC（MediumAccessControl）技术实现对于一个共享信道，当信道的使用产生竞争时，如何采用有效的协调机制或服务准则来分配信道的使用权无线网络MAC协议原理多址接入的共同点避免不同用户同时使用同一物理链路（信道）；否则或产生干扰（主要为碰撞问题）各用户之间的通信必须要有一个彼此都遵循的协议，即多址接入协议或多址访问协议理想的多址协议应能够使所有排队队列成为一个总队列，由信道来服务，从而使信道的利用率高无线网络MAC协议原理MAC层协议的功能有两种极端的协调协议定义以一定的顺序和有效的方式分配节点访问媒体（信道）的规则完全自由（FreeforAll）式完全排序（PerfectlyScheduled）式•只要有新数据立即传送，要解决碰撞重传问题•各个用户按照某种规则使用预定的区间在信道上传输•确定传输顺序、时间长短、分配策略和方式无线网络MAC协议原理MAC协议的指标与要求延迟吞吐率公平性稳定性无线网络MAC协议原理无线MAC协议面临的问题资源有限信道为时变信号•信道有限•带宽有限•无线信道特性随时间变化，从而引起传输质量、传输容量和连接性变化•握手机制是缓解由信道衰落而引起信号时有时无的有效手段•一次成功握手标志两站点之间的通信连接成功无线网络MAC协议原理依赖位置的载波侦听隐藏终端（HiddenTerminal）暴露终端(ExposedTerminal)无线网络MAC协议原理隐藏终端无线网络MAC协议原理暴露终端无线网络MAC协议原理低功耗电池发射功率大影响频率复用无线网络MAC协议原理无线MAC协议的分类分配策略应用拓扑结构固定分配、随机竞争和按需分配面向语音、面向数据和面向综合语音与数据有中心无中心分布控制无线网络MAC协议原理•将一条信道分割成若干相互独立的子信道，每个信道分配给一个或多个用户使用•频分多址（FDMA）、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)和空分多址(SDMA)•面向信道，可以提供可靠的服务，信道利用率高•比较适用于实时性要求高或连续的流业务（语音业务、视频业务等）以及通信量稳定的网络•用户不发送信息时，分配给他的信道浪费固定分配（FixedAssignment）无线网络MAC协议原理随机分配（RandomAssignment）或竞争(Contention)面向广播式信道连接到信道上的终端都可以向信道发送广播信息所有终端都能接收到发自任意终端的信息，如果检测试是发给自己的就接收，否则丢弃代表协议有Aloha系列和CSMA系列通过冲突分解算法（CRA）定义的规则解决冲突适用于间歇性工作、非时延敏感的业务，如ＩＰ业务、文件传送业务无线网络MAC协议原理按需分配（DemandAssignment）也称预约类或无竞争类网络按某种循环顺序询问每个终端受否有数据发送，如果有立即发送，否则询问下一个终端根据询问方式，又可分为集中控制和分布式控制典型协议TokenRing、PRMA、DAMA等按需分配，带宽浪费少，没有由于竞争而浪费的带宽以及由此产生的时延无线网络MAC协议原理面向语音的固定分配MAC协议频分多址FDMA将总的频带分成若干个子信道，每个子信道再分配给每个用户一个子信道在某一个时刻只能有一个用户FDMATDMACDMA无线网络MAC协议原理(1)频分多址FDMAFDMA信道带宽非常窄，在移动通中只有30kHz或更小相对于TDMA,系统简单为减小临信道干扰，对射频滤波器要求较高主要在模拟蜂窝系统采用（无绳电话）数据连续传送无线网络MAC协议原理(2)时分多址TDMA用户按预先分配好的顺序占用信道从而达到共享同一频带数据分组传送切换处理简单，可以利用空闲监听其他基站用不同时隙进行发送和接收，不需要双工器GSM等系统采用无线网络MAC协议原理(3)码分多址CDMA使用同一载频，每个用户有自己的伪随机码接收机用相关检测得到需要的码字，其他码字作为噪声处理即不存在FDMA的固有的互调干扰，也不存在TDMA精确的定时同步系统容量大自干扰问题无线网络MAC协议原理面向数据的随机竞争MAC协议基于ALOHA的无线随机MAC协议，各用户终端不必经过协调可各自发送自己的分组基于载波监听（CSMA）的无线随机协议，终端用户发送自己的分组之前需要侦听信道无线网络MAC协议原理1、基于ALOHA的无线随机MAC协议（1）ALOHA协议（纯ALOHA协议）站点发送分组时，并不需要知道信道是否空闲，直接发送由于多用户随机发送，发送时间重叠，发生碰撞（冲突）发送端发送后一段时间内没有接收到确认，就认为分组发生了冲突，经过一个随机延迟后重发无线网络MAC协议原理无线网络MAC协议原理协议简单分组随到随发，传输时碰撞比较严重负载较重时，性能不稳定，吞吐率低如果退避时间采用指数分布，新的分组和重传分组进入系统用泊松分布，ALOHA的最大吞吐率只有0.184无线网络MAC协议原理(2)时隙ALOHA（S-ALOHA）将时间轴分成许多时隙，每个时隙长度为一个分组用户仅在时隙开始时发送分组碰撞窗口仅为一个完整的分组长度纯ALOHA可能达到两个分组的长度吞吐率比纯ALOHA高一倍，达0.368需要建立同步无线网络MAC协议原理无线网络MAC协议原理2、基于CSMA的无线MAC协议基于ALOHA的竞争协议效率低的原因是碰撞和重发CSMA协议采用先听后说(ListenBeforeTalks)的思想无线网络MAC协议原理无线网络MAC协议原理1-坚持CSMA非坚持-CSMAp-坚持CSMA无线网络MAC协议原理(1)1-坚持CSMACSMA技术的最简单方式每个站点在发送前监测信道信道空闲发送信息如信道忙则一直坚持，一旦监测到信道空闲则发送无线网络MAC协议原理如果两个或以上的站点一监测到信道空闲就发送信号，容易引起冲突无线网络MAC协议原理（2）非坚持-CSMA消除了大量的碰撞，性能比１-CSMA有所提高负载较轻时，延迟时间长无线网络MAC协议原理P-坚持CSMA介于上述两种方式之间监听信道，如果信道空闲，以概率p发送数据延时到另一个时隙的概率为1-p协议的性能取决于p的优化程度无线网络MAC协议原理CSMA/CD站点发送的同时检测信道检测到冲突发送干扰组迫使发送节点停止发送无线网络MAC协议原理无线节点很难做到收发同时进行即使可以同时收发，CSMA/CD也很难解决在发送站点实现CD即使可以在发送方实现CD，由于隐藏节点和暴露节点，即使发送方检测到信道空闲，在接收端仍可能存在冲突无线通信中一般采用带有冲突避免的CSMA/CA方式无线网络MAC协议原理基于冲突避免CA的无线MAC协议在CA机制中，节点在等待信道保持预定的一段静默时间后才能发送静默允许最差情况下的传输时延和处理时延为了解决隐藏终端问题，CA机制通过阻止碰撞来提高协议性能•带带外信令的CA协议－忙音多址•带带内控制信息的CA协议－控制握手信息无线网络MAC协议原理BTMA（BusyToneMultipleAccess）方式采用一条单独的信道来传输忙音－解决隐藏终端问题当节点接收分组或检测到信道上有载波时就在忙音信道发送忙音，以阻止相邻节点发送节点比没有隐藏终端的CSMA略差，但可以克服隐藏终端问题无线网络MAC协议原理RIBTMA（ReceiverInitiated，BTMA）协议信息中带有识别码接收节点只有解码并识别出自己是预定的接收者后才发送忙音距离接收节点发送半径Ｒ内的节点被抑制解码需要时间，并不能完全消除隐藏终端无线网络MAC协议原理带带内控制信息的CA协议在同一无线信道上传输控制握手（ControlHandshaking）信息两次握手三次握手四次握手。。。。。。无线网络MAC协议原理研究带内控制信息的CA协议时，一般假设信道没有衰落，不存在捕获效应，分组错误仅是由碰撞引起的数据分组和控制分组在同一信道内传送无线网络MAC协议原理两次(TwoWay)握手机制又称ACK机制,是一种最基本的握手机制如802.11DFC(DistributedCoordinationFunction,分布协调)中的基本访问机制(BAM-BasicAccessMechanism)只发送DATA和ACK，当正确接收后，立即发送确认帧，发送方收到该确认后，知道该确认帧已成功发送无线网络MAC协议原理MACA-BI(MultipleAccessCollisionAvoidance-ByInvitation)协议发送驱动协议接收节点主动发送RTP(ReadyReceive)分组发送端根据RTP分组要求（发送速率、包长度）发送数据分组无线网络MAC协议原理三次(Three-way)握手机制第一次在无线网络中采用握手信息的协议是SRMA(Split-channelReservationMultipleAccess)发送方使用ALOHA或CAMA决定何时向接收者发送“请求发送”RTS分组，CTS通知发送者何时发送数据分组无线网络MAC协议原理带碰撞避免的多址接入协议(MACA)可以用三次握手机制解决隐藏终端问题无线网络MAC协议原理任何一个接收到RTS的工作站，将会等待一个足够长的时间去让发送这个RTS的工作站接收返回的CTS任何一个接收到CTS的工作站将会避免与即将由Ａ发送到Ｂ的数据碰撞因区域有别的传输存在，导致有的站点接收不到CTS能接收到RTS而接不到CTS的站点不影响Ａ数据的传输无线网络MAC协议原理三次握手RTS-CTS-DATA存在隐藏节点的情况下，吞吐率比ALOHA、CSMA和MACA好并不能彻底解决“隐藏节点”和“暴露节点”的问题但能很大程度地阻止“隐藏节点”的产生无线网络MAC协议原理四次（握手）握手机制四次握手机制包括RTS-CTS-DATA-ACK减小节点的退避时延当节点接到ACK后，可以发送可以解决发送长帧时的碰撞问题缓解“隐藏终端”，仍不能解决暴露终端